任 寧,李世豪
(中核陜西鈾濃縮有限公司,陜西漢中 723000)
鈾豐度在線分析儀是一種專門用于鈾離心濃縮廠精料(產(chǎn)品端)和貧料(尾料端)鈾豐度在線實時監(jiān)測的裝置。傳統(tǒng)的豐度測量采用的是質(zhì)譜計,其測量精度高,但是操作復(fù)雜,維護昂貴,分析周期也較長(一般需要2 h),不能實現(xiàn)豐度的在線測量,同時此設(shè)備為進口設(shè)備,成本較高。鈾豐度在線分析儀由于可以實現(xiàn)235U 豐度在線測量,測量方便,總結(jié)分析鈾豐度在線分析儀在鈾濃縮工廠的應(yīng)用情況,為鈾豐度在線分析儀在鈾濃縮工廠的大范圍應(yīng)用提供參考。
在線分析儀正常運行時,UF6工藝氣體流經(jīng)測量容器,會與測量容器發(fā)生化學(xué)吸附和物理吸附,從而沉積在容器的內(nèi)表面,通過對級聯(lián)某些部位的拆解,可以看到大量的固體粉末沉積。這些固體粉末沉積在測量容器內(nèi),固體粉末中的235U 也會發(fā)射特征酌射線,會對測量得到的235U 特征酌射線產(chǎn)生影響,這就形成了鈾豐度在線分析儀的測量本底。
隨著鈾在線豐度分析儀的運行,固態(tài)粉末越來越多,本底值對測量結(jié)果的影響越來越大,所以需定時對容器的本底進行測量??紤]到本底的影響,可得式(1):
式(1)中,E 為UF6氣體的豐度,k 為刻度系數(shù),S 為 酌 射線計數(shù)率,SB為在線豐度分析儀的本底,T 為經(jīng)傳感器測量的容器的溫度和壓力。由式(1)可得式(2):
當E 一定,K 和T 值不變,通過改變測量容器的壓力P,可得到一組S 和P 值,經(jīng)過擬合可以得到SB值。變壓測本底就是利用此原理來定期消除本底對測量數(shù)據(jù)的影響。
由于刻度對豐度儀的測量精度有較大的影響,為了尋找相關(guān)規(guī)律,進行相關(guān)試驗。對在線分析儀的刻度采取4 種方法:每個工作日刻度;每周一、三、五刻度;每周一刻度;每15天刻度一次。正常運行時補壓機后壓力比較穩(wěn)定(約30~50乇),鈾豐度在線分析儀從補壓機后引壓,工作氣體經(jīng)過分析儀后回流至補壓機入口。實驗表明:刻度周期越短,測量誤差越低。前三種刻度方法,鈾豐度在線分析儀工作良好,測量數(shù)據(jù)準確率較高,滿足鈾濃縮工廠對于豐度監(jiān)測的需要。每個工作日刻度一次,分析儀測量的數(shù)據(jù)標準偏差為0.0072%,鈾豐度在線分析儀與質(zhì)譜計的測量曲線對比如圖3 所示,4 種刻度周期下的實驗數(shù)據(jù)見表1。
可以看出,前3 種刻度周期下,測量數(shù)據(jù)的標準偏差都在1%以內(nèi),每15 天刻度1 次,標準偏差較大。通過與質(zhì)譜計的累積豐度對比發(fā)現(xiàn),前3 種刻度周期,兩者豐度累計偏差均在0.005%以內(nèi),每15 天刻度1 次豐度偏差較大。所以,每周刻度1次可以滿足鈾濃縮工廠對于產(chǎn)品豐度控制的需要。
表1 不同刻度周期鈾在線豐度儀測量數(shù)據(jù)
由于工藝系統(tǒng)工況的調(diào)整,補壓機出口壓力降低(低于10乇后),鈾豐度在線分析儀測量曲線如圖1 所示。
可以看出,當取壓點壓力較低(低壓下),鈾豐度在線分析儀的測量數(shù)據(jù)有較大幅度的變化,向豐度增加的方向漂移,刻度后測量結(jié)果同質(zhì)譜計測量相當,但一段時間后又開始向上漂移。測量容器壓力較低,導(dǎo)致在線分析儀得出的平均凈計數(shù)率較低(約為130),從而使測量結(jié)果較分散,雖然刻度能使其測量結(jié)果有所好轉(zhuǎn),但持續(xù)時間較短,之后豐度數(shù)據(jù)波動較大可達依0.2。
原因分析:測量容器壓力低,導(dǎo)致測量容器內(nèi)物料較少,產(chǎn)生的特征譜線較弱,凈計數(shù)率較低,容易受固態(tài)沉積物、氣體中的氟化氫等的影響,所以測量結(jié)果偏差較大,無法滿足鈾濃縮工廠豐度在線監(jiān)測的需求。
在試驗過程中發(fā)現(xiàn),當鈾在線豐度儀取壓點壓力較低時,鈾豐度在線分析儀的測量曲線有明顯的鋸齒狀,經(jīng)過比對發(fā)現(xiàn),鋸齒的頂峰出現(xiàn)在精料凈化后,鋸齒的低谷出現(xiàn)在精料凈化前。精料凈化對豐度儀測量數(shù)據(jù)的影響見圖2。
數(shù)據(jù)分析:可以看出在線豐度儀的測量數(shù)據(jù)波動較大,可見明顯的鋸齒狀。這是輕雜質(zhì)在豐度儀入口的累積作用導(dǎo)致的。在低壓下,測量容器的壓力由UF6和輕雜質(zhì)分壓兩部分組成,凈化前測量容器內(nèi)雜質(zhì)氣體分壓較高,測量數(shù)據(jù)偏低;凈化后輕雜質(zhì)較少,雜質(zhì)氣體分壓少,測量容器壓力較低,測量值較高。凈化結(jié)束后,隨著輕雜質(zhì)的累積,測量數(shù)據(jù)緩慢降低,以此形成鋸齒狀??梢娫诘蛪合?,輕雜質(zhì)的累積作用對于豐度儀的測量數(shù)據(jù)有較大的影響,即精料容器凈化方式對豐度儀的測量數(shù)據(jù)有較大的影響。
導(dǎo)致低壓下鈾豐度在線分析儀測量數(shù)據(jù)偏差較大的原因可總結(jié)為:測量容器壓力較低時,無法定時進行變壓測本底,本底的變化只能通過刻度進行消除;測量容器壓力較低時,容器壓力受精料凈化的影響較大,呈現(xiàn)鋸齒狀;測量容器壓力較低時,在線分析儀監(jiān)測到的235U 的計數(shù)率較低,一般約(100~300 count/S),SB與S 的比值較大,正常情況下,當測量容器壓力達到40 乇以上時,計數(shù)率可達到1000以上。
圖3 為高壓下豐度儀與質(zhì)譜計測量曲線對比圖,可以看出,刻度時間對于豐度儀的測量精度影響較大,豐度儀經(jīng)過刻度后,測量數(shù)據(jù)可以和質(zhì)譜計數(shù)據(jù)相吻合,一段時間后,質(zhì)譜計測量數(shù)據(jù)開始向上漂移。鈾豐度在線分析儀的測量精度與刻度間隔緊密相關(guān)。
圖1 低壓下豐度儀測量數(shù)據(jù)曲線
圖2 精料凈化對豐度儀測量數(shù)據(jù)的影響
圖3 高壓下豐度儀測量數(shù)據(jù)曲線
通過在線豐度分析儀在鈾濃縮工廠的應(yīng)用,主要可得到以下結(jié)論。
(1)刻度對于豐度儀的測量結(jié)果有較大的影響。如不定期刻度,測量數(shù)據(jù)會不斷升高,本底升高的原因主要為固態(tài)鈾化合物的沉積所致。若今后采取有效的過濾措施,將固體鈾化合物過濾,從而提高豐度儀測量精度,以期解決測量數(shù)據(jù)本底不斷升高的問題。
(2)豐度儀的測量數(shù)據(jù)與精料凈化有較大關(guān)系,雜質(zhì)氣體的周期性累積使得豐度儀測量曲線出現(xiàn)鋸齒形。若對精料凈化方式進行優(yōu)化,可減少對測量的影響。
(3)在線豐度儀取壓點壓力較高時,定期刻度已可滿足豐度在線監(jiān)測的要求;當取壓點壓力較低時,測量結(jié)果波動較大,不能滿足豐度監(jiān)測的需求,預(yù)期在豐度儀入口加裝一套加壓泵提高取樣壓力至50 乇左右,可提高在線豐度儀的測量精度。